(57)【要約】  【課題】発電手段の高電圧化と、負荷の低耐圧化との間の競合を緩和し、経済的な電力システムを提供する。  【解決手段】発電手段としての三相交流発電機１１と、その発電電力を所定の直流電力に変換するコンバータとしての三相ＰＷＭ整流器２１と、前記直流電力が供給される直流電圧部３０及び電圧平滑用コンデンサ３１と、その直流電力を交流電力に変換して負荷に供給するハーフブリッジインバータ４２と、負荷とを備える。また、必要に応じて直流電圧部３０に倍電圧整流回路７０を介して商用電源を接続する。【選択図】図１
2007082318.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発電手段と、
この発電手段の発電電力を所定の直流電力に変換するコンバータと、
このコンバータから直流電力が供給される直流電圧部と、
この直流電圧部から供給される直流電力を交流電力に変換して負荷に供給するインバータと、
前記負荷と、
を備えた電力システムにおいて、
前記インバータとしてハーフブリッジインバータを用いたことを特徴とする電力システム。
【請求項２】
発電手段と、
この発電手段の発電電力を所定の直流電力に変換するコンバータと、
このコンバータから直流電力が供給される直流電圧部と、
この直流電圧部から供給される直流電力を交流電力に変換して負荷に供給するインバータと、
前記負荷と、
を備えた電力システムにおいて、
前記直流電圧部に、倍電圧整流回路を介して商用電源を接続したことを特徴とする電力システム。
【請求項３】
発電手段と、
この発電手段の発電電力を所定の直流電力に変換するコンバータと、
このコンバータから直流電力が供給される直流電圧部と、
この直流電圧部から供給される直流電力を交流電力に変換して負荷に供給するインバータと、
前記負荷と、
を備えた電力システムにおいて、
前記直流電圧部に、倍電圧整流回路を介して商用電源を接続し、かつ、前記インバータとしてハーフブリッジインバータを用いたことを特徴とする電力システム。
【請求項４】
請求項３に記載した電力システムにおいて、
前記倍電圧整流回路が有する二つのコンデンサ同士の接続点を、前記ハーフブリッジインバータの中間電位点として利用したことを特徴とする電力システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電手段によって負荷へ電力を供給する電力システムに関し、詳しくは、比較的小規模で安価かつ高効率な電力システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図５は従来の電力システムを示す構成図である。
図５において、発電手段１０は、電磁発電機や太陽電池、燃料電池、電池等、あるエネルギー形態を電気エネルギーに変換する手段である。この発電手段１０には、図示しない外的なエネルギーが供給され、または蓄積されている。例えば、電磁発電機であれば内燃機関等によってトルクが、太陽電池であれば光が、燃料電池であれば水素と酸素が供給される。また、発電手段１０が電池である場合には、化学薬品が内部に蓄積されている。なお、発電手段１０の種類は以上に例示したものに何ら限定されない。
【０００３】
発電手段１０によって発電された交流または直流電力は、コンバータ２０によって所定の大きさの直流電力に変換され、直流電圧部３０に供給される。
直流電圧部３０にはインバータ４０が接続されている。このインバータ４０は、例えばＰＷＭ制御によって直流電圧パルスを生成し、このパルスをフィルタ６０により平滑することによってほぼ正弦波状の電圧波形を生成する。
上記フィルタ６０の出力側には負荷５１，５２，……が接続されており、これらの負荷に正弦波状の交流電圧が供給されることになる。
なお、図５において、発電手段１０の出力側、フィルタ６０の入出力側に記した「≧２」は、接続線が２以上または相構成が２相（単相）以上であることを示す。
【０００４】
この種の電力システムは、小規模な独立型電力系統や小容量発電機を用いたシステムにおいてしばしば用いられており、後述する特許文献１にも記載されている。
【０００５】
次に、図６は、図５の主要部の具体的構成図である。
図６において、発電手段としては三相の交流電力を発生する機器、例えば三相交流発電機１１が用いられ、コンバータには三相ＰＷＭ整流器２１が用いられる。また、インバータには単相フルブリッジインバータ４１が使用されている。ここで、２１１，４１１は環流ダイオードが逆並列に接続されたＩＧＢＴ等の半導体スイッチング素子である。
なお、３１は直流電圧部３０に設けられた電圧平滑用コンデンサである。
【０００６】
図６に示した構成では、三相ＰＷＭ整流器（コンバータ）２１によって三相交流発電機（発電手段）１１に印加される電圧のピーク値と、単相フルブリッジインバータ４１が出力する電圧のピーク値とが等しくなる。これは、コンバータ２１及びインバータ４１が単一の直流電圧部３０を共有していることから明らかである。
【０００７】
【特許文献１】特開２００３−１０２２００号公報（［００２９］、図１等）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
発電手段として、例えば図６に示したように発電機１１を用いる場合、回転速度が高いほど発電量当たりの体積及び重量を小さくできるため、経済的になる場合が多いが、回転速度が高いほど発電機１１の端子電圧は高くなる。発電機１１の発電電力を調整するコンバータ２１の調整能力を十分に確保するためには、発電機１１の端子電圧に見合った電圧をコンバータ２１が発生可能であることが要求される。そして、コンバータ２１の発生可能な電圧を高くするためには、直流電圧部３０の電圧を高くする必要がある。
【０００９】
しかし、直流電圧部３０の電圧を高くすると、前述したようにインバータ４１の出力電圧のピーク値が上昇してしまう。負荷の受電電圧は商用電源電圧で規定されていることが多いため、インバータ４１の出力電圧はこれを無視して高めることはできない。また、インバータ４１と負荷との間に図５のようにフィルタ６０を接続する場合には、フィルタ６０の耐圧を上げざるを得なくなり、フィルタ６０の大型化やコスト上昇を招くという問題がある。
【００１０】
一方、経済性を考慮して発電機１１を高速回転仕様にする場合には、発電機１１内部の巻線の巻数を減らすと同時に巻線径を太くすれば、端子電圧を低減することが可能であり、これによって負荷やフィルタの低耐圧化を図ることができる。しかし、巻線径を太くすることは加工性の劣化、占積率の低下、表皮効果による銅損の増大という問題を伴う。
以上のように、発電機１１の高速回転による小型化、高電圧化と負荷等の低耐圧化との間には、直流電圧部３０の電圧に関して競合が存在する。
【００１１】
同様な問題は、発電手段が発電機以外のものである場合にも発生する。
例えば、発電手段とコンバータとの間の距離が長い場合、両者を結合するケーブルを細くして経済性、取り扱い性を高めるためには、発電手段の出力電圧を高く設定して発電量に対する電流を小さくすることが有効であるが、この場合にも、発電手段の高電圧化と負荷等の低耐圧化という二律背反的な課題が競合することになる。
【００１２】
そこで、本発明の解決課題は、発電手段の高電圧化と、負荷やフィルタに要求される低耐圧化の間に存在する競合を緩和し、経済性やシステム設計の自由度を向上させた電力システムを提要することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題を解決するため、請求項１に記載した発明は、発電手段と、この発電手段の発電電力を所定の直流電力に変換するコンバータと、このコンバータから直流電力が供給される直流電圧部と、この直流電圧部から供給される直流電力を交流電力に変換して負荷に供給するインバータと、前記負荷と、を備えた電力システムにおいて、
前記インバータとしてハーフブリッジインバータを用いたものである。
【００１４】
請求項２に記載した発明は、前記電力システムにおいて、
前記直流電圧部に、倍電圧整流回路を介して商用電源を接続したものである。
【００１５】
請求項３に記載した発明は、前記電力システムにおいて、
前記直流電圧部に、倍電圧整流回路を介して商用電源を接続し、かつ、前記インバータとしてハーフブリッジインバータを用いたものである。
【００１６】
請求項４に記載した発明は、請求項３において、
前記倍電圧整流回路が有する二つのコンデンサ同士の接続点を、前記ハーフブリッジインバータの中間電位点として利用したものである。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、直流電圧部の電圧を高く設定可能として発電手段の高電圧化に対応させると共に、負荷やフィルタを低耐圧化してシステム全体の小型軽量化、低コスト化を図り、システム設計の自由度も高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
まず、図１は請求項１に係る本発明の第１実施形態を示す構成図であり、図６における各構成要素と同一機能を有するものについては同一の符号を付してある。
本実施形態においては、負荷に交流電力を供給するためのインバータとしてハーフブリッジインバータ４２を用いており、その他の構成は図６と同一である。なお、図１のハーフブリッジインバータ４２において、４２１，４２２は環流ダイオードが逆並列に接続されたＩＧＢＴ等の半導体スイッチング素子、４２３，４２４は直流電圧部３０の電圧を分圧する電解コンデンサを示す。
【００１９】
ハーフブリッジインバータ４２を用いると、負荷に供給される電圧の振幅は直流電圧部３０の電圧の１／２となる。このため、例えば三相交流発電機１１として発電量当たりの体積、重量が小さい高速回転型かつ高電圧出力型のものを用い、これに対応させて直流電圧部３０の電圧を高く設定した場合でも、負荷や平滑用のフィルタ（いずれも図示せず）に印加される電圧は低くなるので、負荷等の耐圧を低くすることが可能となる。
従って、発電機１１の小型軽量化、負荷やフィルタの低耐圧化による小型化、低価格化により、全体として経済的な電力システムを実現することができる。
【００２０】
なお、ハーフブリッジインバータ４２内のコンデンサ４２３，４２４の容量を大きくすれば、直流電圧部３０における電圧平滑用コンデンサ３１を兼用させることも可能である。
また、図１では発電手段として三相交流発電機１１を用いた場合を示してあるが、回転機以外の発電手段を用いても良い。例えば、発電手段と整流器２１との間のケーブルが長い時に、発電手段の端子電圧を高めて電流を低減し、上記ケーブルに細径のものを使用してコストを低減させたい場合にも有効である。
【００２１】
次に、図２は請求項２に係る本発明の第２実施形態を示す構成図である。
この実施形態では、直流電圧部３０に倍電圧整流回路７０を介して商用電源が接続されている。なお、インバータ４０Ａとしては前記ハーフブリッジインバータ４２を用いてもよいが、フルブリッジインバータを用いてもよい。
【００２２】
ここで、直流電圧部３０に通常のフルブリッジ整流回路を介して商用電源を接続する構成は、例えば先願に係る特願２００４−１５８５４８号（本願の出願時において未だ出願公開されていない）に記載されている。しかし、この先願の構成では、直流電圧部の最低電圧が商用電源の線間電圧ピーク値とほぼ同等の値になることに起因して問題が生じる。これを詳述すると、次の通りである。
【００２３】
商用電源を整流回路を介して直流電圧部に接続する目的は、発電手段によって負荷が必要とする電力の全てが賄えない場合に、商用電源から不足分の電力を得るためである。一方、全ての負荷電力を発電手段から供給する場合には、商用電源からは電力を引き込まない。
【００２４】
このように商用電源を併用するか否かの切替は、直流電圧部の電圧の調整によって実現可能である。すなわち、直流電圧部の電圧が商用電源の線間電圧ピーク値ＶＰよりも高ければ、整流回路が常時逆バイアスされるため、商用電源からの電流の流入、すなわち電力の供給はない。一方、直流電圧部の電圧が前記ＶＰよりも低くなると、商用電源から電流が流入して電力が供給される。
【００２５】
一般に、商用電源のインピーダンスは小さいため、直流電圧部の電圧が前記ＶＰよりもわずかに低ければ、十分な電力が商用電源から供給される。従って、直流電圧部の電圧の最低値は、前記ＶＰとほぼ同程度の値となる。
このため、例えば商用電源電圧として１００〔Ｖ〕しか得られない場合には、直流電圧部の電圧もこれに制約され、それに伴って発電手段の端子電圧も下げざるを得ず、設計の自由度が著しく損なわれる。また、この制約は、先に述べたように発電手段の高電圧化への対応を難しくすることからも、経済的なシステムを構築する上での障害となる。
【００２６】
上記の問題は、商用電源電圧を整流して直流電圧部に供給する整流回路として、図２に示すように倍電圧整流回路７０を用いれば改善することができる。すなわち、倍電圧整流回路７０を用いれば、整流された電圧は商用電源の線間電圧ピーク値の約２倍となるため、直流電圧部３０の電圧の最低値もそれに近い値まで高めることができる。
例えば、商用電源電圧が１００〔Ｖ〕系の場合、前記先願と同様に通常のフルブリッジ整流回路を用いると、直流電圧の最低電圧は√２×１００〔Ｖ〕≒１４１〔Ｖ〕程度になるが、倍電圧整流回路７０を用いれば、その２倍の２８２〔Ｖ〕程度とすることができる。
【００２７】
これにより、直流電圧部３０の電圧に応じて発電手段１０の端子電圧の高電圧化が可能であり、例えば高速回転仕様の発電機を用いることによる小型軽量化等、前述した作用効果を期待することができる。
【００２８】
図３は上記倍電圧整流回路７０の具体的構成例を示すもので、図３（ａ）は入力側の商用電源が単相、同（ｂ）は三相の場合であり、７０１，７０１ａ，７０１ｂ，７０２，７０２ａ，７０２ｂはダイオード、７０３，７０４は平滑用のコンデンサである。
これらの倍電圧整流回路では、２個直列に接続されたコンデンサ７０３，７０４のそれぞれに商用電源電圧の線間電圧ピーク値ＶＰにほぼ等しい直流電圧が発生する。このため、出力端子からは約２ＶＰの電圧を発生させることができる。
【００２９】
前述したように、電力システムとしてハーフブリッジインバータと倍電圧整流回路とを同時に使用することにより、さらに好ましい特性を得ることができる。このような電力システムの構成が請求項３の発明に相当する。
【００３０】
すなわち、ハーフブリッジインバータ及び倍電圧整流回路を組み合わせて使用すれば、商用電源及び負荷として電源電圧の仕様が等しいものを用いると共に、直流電圧部の電圧のみを高めて発電手段の高電圧化に対応することが可能となる。例えば、商用電源電圧を２００〔Ｖ〕とし、負荷として２００〔Ｖ〕受電のものを用い、かつ、直流電圧部を√２×２００〔Ｖ〕×２≒５６６〔Ｖ〕とすることができる。
【００３１】
このように、商用電源及び負荷を一般に普及している低電圧の仕様とし、かつ発電手段及びコンバータについては、高電圧化することによる前述の利点を得るために高電圧仕様とする、といった設計が可能となり、コストを抑制しながらシステムの小型化を図ることが可能である。
【００３２】
次いで、請求項４に係る本発明の第３実施形態を説明する。
ハーフブリッジインバータでは、図１に示したように、一方の出力端子が、直流電圧をコンデンサにより分割した中間電位点に接続されるため、その電位を安定化させるための措置が必要となる。そのためには、例えば直流電圧を分圧する二つのコンデンサの容量を大きくすることが考えられるが、この方法ではコストの上昇を招く。
【００３３】
そこで、図４に示すように、商用電源電圧を整流するために倍電圧整流回路７１を用いる場合には、この倍電圧整流回路７１が有する二つのコンデンサ７０３，７０４同士の接続点の電位が安定しているため、この接続点をハーフブリッジインバータ４３の中間電位点として一方の出力端子に接続することにより、安定した電位を得ることができる。
また、図４の例では、前記コンデンサ７０３，７０４によって図１における分圧用のコンデンサ４２３，４２４を兼用できるため、部品数の減少にも寄与する。
【００３４】
以上に述べた各実施形態において、発電手段、商用電源、負荷等につき電圧値や相数に関する制約はなく、また、コンバータやインバータの制御方式、変調方式にも制約がないことは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の第１実施形態を示す構成図である。
【図２】本発明の第２実施形態を示す構成図である。
【図３】図２における倍電圧整流回路の具体的構成例を示す回路図である。
【図４】本発明の第３実施形態を示す主要部の構成図である。
【図５】従来技術を示す構成図である。
【図６】図５の主要部を示す具体的構成図である。
【符号の説明】
【００３６】
１０：発電手段
１１：三相交流発電機（発電手段）
２０：コンバータ
２１：三相ＰＷＭ整流器（コンバータ）
３０：直流電圧部
３１：電圧平滑用コンデンサ
４０Ａ：インバータ
４２：ハーフブリッジインバータ
５１，５２：負荷
７０，７１：倍電圧整流回路
２１１，４２１，４２２，４３１，４３２：半導体スイッチング素子
４２３，４２４：電解コンデンサ
７０１，７０１ａ，７０１ｂ，７０２，７０２ａ，７０２ｂ：ダイオード
７０３，７０４：コンデンサ
【図１】
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【図２】
2007082318.tif 000004
【図３】
2007082318.tif 000005
【図４】
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【図５】
2007082318.tif 000007
【図６】
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